看看美國物理教育研究怎么搞

1、物理教育研究

物理教育研究是用科學研究方法研究物理教育中的實際問題，尋求有效解決方案，提高物理教育教學質量。在國際上，物理教育研究是一個很新的領域，其發展歷史不到50年，美國是最活躍的國家之一。近年來，越來越多中國學者開始關注和進入這一領域，我們計劃撰寫一系列文章，介紹美國PER，給國內的研究者和教師提供一個捷徑快速了解這個研究領域，從而推動PER在中國的發展。本文先整體概述美國PER領域，以后還將陸續撰寫關于PER領域研究方法和每一個研究領域的研究進展與成果的綜述性文章。

2、美國物理教育研究簡史和背景

物理教育的研究不是突然出現的，它的成功源于幾代人的工作，涉及物理教育者對教學內容、教師、學生和教學環境等各個方面及其之間的相互作用的思考和經驗，加之一些心理學領域的研究者對物理教學中學生學習困難的關注和研究，逐漸形成了PER這一研究領域。1999年美國物理學會正式確定PER為物理研究領域的一個分支。

莉蓮·麥克德莫特(Lillian McDermott)是公認的美國PER領域的創始人，麥克德莫特在華盛頓大學物理教育研究組工作時研究學生在學習物理核心概念時遇到的困難——學生的錯誤概念[1，2]，以此開啟了美國PER這一個新的研究領域，她所在的華盛頓大學物理教育研究團隊和喬·瑞蒂希（Joe Redish）帶領的馬里蘭大學物理教育團隊是美國最早開展物理教育研究的兩個團隊，除此之外，在美國較早成立物理教育研究團隊的大學有：北卡羅萊納州立大學、俄亥俄州立大學、明尼蘇達大學、科羅拉多大學、緬因大學、哈佛大學等。從事PER的專家大多都在大學的物理系工作，他們在從事物理教學的同時研究物理教學中遇到的問題，尋找解決方案，促進學生對物理專業知識的學習和理解。物理教育研究領域的學者不僅需要物理專業知識，同時也需要教育學和心理學知識，因此PER是一個多學科交叉的學科領域。

早期物理教育研究的成果大多發表在《美國物理雜志》（American Journal of Physics），隨著物理教育研究的蓬勃發展，需要更多的出版空間分享學者的研究成果，2005年在美國物理學會(American Physical Society，簡稱APS)和美國物理教師學會（American Association of Physics Teacher．簡稱AAPT）共同努力下，將PER作為物理學科的一個研究方向納入到權威物理雜志《物理評論》（Physical Review）系列中，即《物理評論專刊——物理教育研究》（Physical Review Special Topics—Physics Education Research），由于PER的快速發展和取得的卓越成就，使這個新興的學科在物理學界的地位日漸提高，該雜志在2016年更名為《Physical Review—Physics Education Research》，去掉了其中“專刊”兩字用以表明物理教育研究和光學、凝聚態等地位平行，都是物理學的一個分支。隨著物理教育研究的深入和發展，PER與其他越來越多的研究領域交叉融合，包括教育學、教育心理學、語言學、認知科學、測量與統計、計算機學科和人類學等，因此物理教育研究的文章還常常出現在與這些領域相關雜志上，例如：《認知與教學》（Cognition and Instruction）、 《學與教》（Learning and Instruction）、 《學習科學雜志》（Journal of the Learning Sciences）、 《科學教學研究雜志》（Journal of Research in Science Teaching）、《科學教育研究》（Research in Science Education）、《科學和數學教育國際雜志》（International Journal of Science and Mathematics Education）。除了發表文章，學術會議也是研究者和教師交流和分享的重要平臺，美國物理教育研究領域的會議有AAPT會議：每年兩次：冬季一次，夏季一次。從1997年以來，在每年夏季的AAPT會議之后接著物理教育研究年會(Physics Education Research Conference，簡稱PERC)會議，兩個會議時間相連，地點相同。每年PERC接收學者的會議投稿，經過同行審議后達到高學術標準文章被正式收錄在會議文集《PERC Proceedings》上，在2016年PERC上正式發表的文章有98篇[3]。除了上述兩個會議外，從2005年起，緬因大學每兩年主辦一次關于物理教育研究的基礎和前沿的研討會。

在美國，PER和其他科學領域一樣可以得到美國國家科學基金（National Science Foundation，簡稱NSF）的項目資助，一般一個項目資助金額在幾十萬到上百萬美元，項目執行期為2~4年，要求項目研究成果有利于推進人類文化和教育的發展，提高教育教學質量，并沒有必須發表文章和出版專著等“硬”指標要求。由于物理教育研究需要的樣本量大，教學研究實驗周期長（課程教學通常以一個學期為一個周期，再次重復需要等到第二年的對應學期），在一個項目研究結束后，還可以繼續申請同一系列的項目，以求做得更加深入和完整，獲得具有普遍理論意義或有廣泛應用價值的成果。例如：哈佛大學物理系教授埃里克·馬祖爾（Eric Mazur）從1993年獲得NSF的支持開始研究和開發同伴教學法（Peer Instruction，簡稱PI），到2001年的8年時間中，三次獲得NSF的支持，完成從PI教學法的開發、教學實踐和實證研究、網上資源建設等一系列成果。20多年來，PI教學法在世界很多個國家的大中小學的不同學科得到了廣泛應用，取得顯著教學效果，2014年，馬祖爾教授作為物理教育研究領域的學者獲得首屆全球高等教育最高獎密涅瓦（Minerva）獎（該獎相當于教育學科的諾貝爾獎）。除了NSF外，物理教育研究的學者還可以從教育科學協會（Institute of Educational Sciences，簡稱IES)、州政府、研究者所在的大學和院系得到PER項目資金的支持。

3、物理教育研究方法

物理教育研究方法有定性研究（Qualitative Research）和定量研究（Quantitative Research）兩種研究方法，目的都是尋求事實證據和數據得出研究結論，需要根據研究問題選擇適合的研究方法。在研究過程中，有意識地特別地去關注物理教育研究的復雜性是非常重要的。

在物理教育研究中常用的定量研究方法有：描述統計、推論統計、測試工具的開發和檢驗。物理教育研究中用到量化方法的3種主要類型是：調查研究、實驗/準實驗研究、測量與評價研究，其中前兩個研究是直接使用測量工具，第三個研究涉及測試工具的開發[4-6]。

1992年，由海斯頓斯等人（Hestenes, Swackhammer and Wells）開發的力學測試量表(Force Concept Inventory，簡稱FCI) 在美國物理教育研究發展史中具有重要意義[7]。首先，FCI是物理教育研究中關于概念測量的第一個測試量表，為教育研究者使用定量研究的方法對教學進行科學評估提供了研究工具。其次，1998年理查德·哈克（Richard Hake）使用FCI對6000名學生進行了調查，比較了使用傳統教學方法和互動教學方法講授物理課程的學生獲得的收益 ——標準化增益（Average Normalized Gain)情況，數據結果表明使用傳統教學方法學生獲得的收益低得讓人震驚，而使用互動教學方法可以改善這個狀況[8]。與通常使用教學經驗總結的主觀評價方式不同，此項研究首次使用科學量化方法對課程教學效果進行評價，得出結果更具有說服力，容易被一些只有物理科研背景沒有物理教育研究背景的大學教師所接受。哈佛大學物理教授馬祖爾就是在知道哈克的研究結果后，重復實驗并驗證其結果，確信使用傳統教學方法講授物理課程無法取得良好效果，開始致力于教學方法的改革。馬祖爾教授借鑒教育研究的相關結果，開發了PI教學法，提高了物理教學質量。理查德·哈克在物理教育研究中使用評估工具進行定量研究方面起到了重要的引領作用。此后，PER學者陸續開發出一系列測試工具，例如電磁學概念測試量表[9，10](Conceptual Survey in Electricity and Magnetism,簡稱CSEM)，能量概念測試工具(Energy Concept Assessment簡稱ECA)[11]，量子力學測試量表[12]（Quantum Mechanic Conceptual Survey，簡稱QMCS）等，推動了PER定量研究的快速發展。需要說明的是:與編制一個期末考試試卷不同，開發PER測量工具是一個費時費力耗資巨大的工程，通常從系統開發到驗證其可靠性需要花費幾年時間，因此任何使用者都有責任正確使用并維護和保管好這些測試工具，在使用過程中下面的行為都將造成量表的失效：

(1) ?公開這些測試量表使學生容易獲得;

(2) 測試時標出量表名字使學生可以在網絡上搜索到測試量表;

(3) 向學生講解測試題目的答案;

(4) 將測試工具中的一些測試題目抽出來單獨使用或與其他來源的題目重新拼湊成新的測試量表;

(5) 使用不完整的測試量表進行測試。

使用合適的測試工具，可以實現定量研究，定量研究可以方便地對大樣本進行測試，針對特定研究對象的總體得出統計結果，因此定量研究的結果可以外推。定量研究的結果信息是用數據表示，方便進行客觀比較，獲得統計趨勢、均值比較或相關性等信息。如果試圖解釋和了解為什么會有這樣的數據結果，需要對數據加以詮釋，此時，定量研究者通常需要借助一些理論和文獻對結果給出解釋，但也可能是基于個人的觀點、假設或思想給出的詮釋，因而也具有主觀性。

定性研究的目的是了解和理解行為與觀點、識別過程得以深入了解他人的體驗。PER使用的定性研究的手段有：深度訪談、焦點小組討論、觀察、內容分析法、可視化手段等。通常定性研究的受訪者人數少，不是隨機地超募，需要有針對性地選取，受訪者必須能提供有關研究主題的豐富信息。定性研究具有探索性、診斷性和預測性等特點，它并不追求精確的結論，而只是了解問題之所在，摸清情況，得出感性認識，因此定性研究所得結論不可以外推。定性研究數據是文本，但不是對受訪者回答的簡單復述，與其他類型的研究一樣，定性研究也是系統化的，從研究的前期設計、數據采集，后期的文本轉錄方法、編碼的分類、推論分析、歸納形成理論，每一步都有其研究范式和途徑。

近年來，PER研究者發現，定量研究和定性研究具有各自優勢和特點：定量研究方法可以在宏觀層面對研究對象進行大規模的調查和預測，而定性研究可以在微觀層面對個別事物進行細致、動態的描述和分析。可以將兩種研究方法有效結合或混合使用，例如：在定量研究之后，分析數據，找出需要解釋的問題，選擇受訪者進行定性研究，解釋定量研究的結果，揭示某些特定行為的趨勢或模式，解釋趨勢背后的過程、潛在行為、觀點和動機等。相反也可以用定性研究發現研究假設，而用定量研究來檢驗假設，例如，在編制物理測試問卷時，可以先使用開放性的問卷，讓學生自由解答題目，研究獲得學生答案類型，然后依此結果編制多項選擇題，進行大規模測試。另外，定性的研究數據也可以通過編碼等不同形式轉化成定量數據。

4、物理教育研究的主要研究方向和熱點

從20世紀70年代起，研究者和教師逐漸意識到學生在概念掌握上存在很多困難，例如：當一個大卡車和一個小汽車相撞時，它們之間相互作用力相等，而學生認為大車給小車的力更大，因為小車的損壞更嚴重，小車的速度變化更大等等；對于電流在通過用電器后其大小不變的概念，學生也很難理解，他們認為既然電流不變為什么電池會被用盡，為什么要收使用者的電費呢？對于學生的這些概念，研究者稱之為錯誤概念（misconceptions），樸素概念（nave conception）和前概念（preconception）。本文統稱為錯誤概念，有學者認為對錯誤概念的研究標志著現代物理教育研究的開始。早期的研究包括：識別學生的錯誤概念和評價哪些教學策略可以有效地轉變學生的錯誤概念利于形成科學概念——稱為概念轉變（conceptions change）。為了定量研究學生物理概念的水平和發展變化，研究者開發了許多概念測試量表，如前所述的FCI、BEMA、ECA等。最近有學者開始研究學生錯誤概念的本質和起源，以及學生概念轉變是如何發生的。這一類研究構成PER的一個研究方向——概念理解（conceptual understanding）。

由于解決物理問題在物理教學過程中占有重要地位，因此問題解決（problem-solving performance）也是物理教育研究中的一個研究方向，主要研究學生在解題過程中的行為，比較學生和經驗豐富的專家在解決物理問題的過程中使用的方法和策略有什么不同[13，14]。例如：在對物理題目進行分類時，專家依據解決問題需要的物理本質規律，將需要使用能量守恒的題目歸為一類，而新手關注的是題目的表面特征，將題目按照“彈簧問題”“斜面問題”等進行分類[15]。此外，在這個領域中研究者還研究例題設計、題目多重表征[16]（multiple representation）和解決物理問題中需要的數學能力等方面對學生問題解決的影響；評估解題教學策略的有效性也是這個領域研究的一個方向。最近幾年，美國俄亥俄州立大學丁林（Lin Ding）研究團隊在NSF支持下研究學生解決復雜物理問題（synthesis problem）的能力，從認知心理和物理題目情景等多重維度對學生在解決復雜問題時遇到的困難進行了深入研究，將復雜物理問題進行了科學分類，設計了4種主要解決策略和教學支架，研究評價了這些教學策略在提高學生解決復雜問題能力的適用性和有效性[17-19]。

師生對物理教學的態度和信念（attitudes and beliefs about learning and teaching）對他們講授和學習物理產生直接和重大的影響，因此物理教育研究一直致力于研究教師和學生的物理認識論——關于對物理的本質和物理學習方法的認識。相關的測試量表有馬里蘭州物理學期望調查（Maryland Physics Expectation Survey，簡稱MPEX）[20]和科學調查（Views about Science Survey，簡稱VASS） [21]，科羅拉多大學在前面幾個量表的基礎上，新開發了一個測試量表C-LASS （Colorado Learning Attitudes About Science Survey）[22]。物理教育已有的一些研究表明：使用傳統的教學方法，學生學習物理時間越長，掌握物理知識越多，但是學生對物理的認知水平卻負向移動——學生的觀點更加遠離物理專家的觀點，更向新手方向移動[23-26]。而在一些基于教學方法改革的物理課程中實現了學生物理認知的正向移動，例如：物理與生活（Physics and Everyday Thinking，簡稱 PET）課程[27]，建模教學方法（Modeling Instruction，簡稱MI）課程[28，29]，物理探究（Physics by Inquiry,簡稱PBI)課程[30]和使用PI教學法的課程[31]。

大量研究表明：一些基于物理教育研究成果開發的新的教學方法可以有效解決傳統教學方法中存在的問題，提高物理教育教學質量。其中一些教學方法不需要改變傳統的教室結構，可以方便地嵌入在傳統教學方法中，例如：PI教學法 [32]，基于課堂演示實驗的互動教學法（Interactive Lecture Demonstrations,簡稱ILD）[33]，及時教學法 (Just-in-Time Teaching，簡稱JiTT)[34]等。有一些教學法需要改變傳統教室的課座椅結構，將物理實驗和物理理論學習融合在一起，方便基于實驗合作探究，例如：物理探究（Physics by Inquiry，簡稱PbI) [35]，物理工作坊（Workshop Physics，簡稱(WP) [36]，以學生為中心的大學課程主動學習環境（Student-Centered Active Learning Environment for Undergraduate Programs，簡稱SCALE-UP）[37，38]；在復習輔導課中使用的新的教學方法有物理輔導課(Tutorials in Introductory Physics，簡稱TIP) [39，40]和基于活動的輔導課 (Activity-Based Tutorials，簡稱ABT)[41]；傳統實驗課程中學生通常是按照“菜譜”做實驗，實驗課的教學方法改革主要是利用計算機技術、視頻分析軟件等輔助實驗，在實驗中讓學生主動探究和合作討論共同解決問題。亨德森（Henderson）和丹西（Dancy）對美國722名教師的調查數據表明，87.1%的教師知道一種新的教學方法，約一半教師熟悉6種以上的教學策略。大約一半的教師在他們的教學中使用改革后的教學方法，最常用的是PI教學法[42]。

多年來，物理教育研究者針對物理教育中的問題開展了多方面的研究，生成了多個研究方向和研究熱點，除了上面介紹的概念理解、問題解決、學習態度、課程與教學（Curriculum and Instruction）幾個研究方向外，還有關于評價（Assessment）、認知心理學（Cognitive Psychology）和教育技術（Educational Technology）等研究方向。從認知心理學等研究領域到社會的經濟、政治和科技文化等諸多方面的進步與發展都在進一步拓展物理教育研究領域的帶寬，使其理論和方法日益深入和豐富。

因此，物理教育研究領域是一個多元化、復雜但是非常有魅力的研究領域，研究者在其中可以發現物理教育中的問題，研究設計解決方案，用于改進教學，然后在教學實踐中驗證其效果，使教學更有效。已經有越來越多的教師和研究者對這個領域感興趣并參與其中，因為當一名物理教師在物理教學過程中做些物理教育研究，或者只是將物理教育研究結果應用于自己的物理教學之中，都會發現自己的教學生涯會因此變得“有物理也有詩和遠方。”